Zeitrafferaufnahme der viskosen Schneeverformung

Einleitung

Eis ist, wie beispielsweise Glas oder Honig, ein viskoses Material. Das heisst, es verformt sich unter Belastung fortwährend. Schnee besteht aus einem feinen Eisskelett und ist daher, wie auch Eis, ebenfalls ein viskoses Material. Da die Schneedecke ständig vom eigenen Gewicht belastet wird, verformt sie sich andauernd. Der Schnee wird verdichtet, bis er, wenn man ihm genügend Zeit lässt, zu Eis wird. So entsteht auch das Eis der Gletscher.

Ziel

Das Ziel dieses Projekts ist es, diesen Prozess genauer zu verstehen. Welche Verformungsmechanismen dominieren? Wie verändert sich die Viskosität mit steigender Schneedichte? Wie ändert sich die Struktur des Eisskelettes?

Um diese Fragestellungen zu beantworten, beobachten wir die Veränderung des Eisskeletts während der Verformung.

Relevanz

Wichtig ist ein besseres Verständnis dieses Prozesses beispielsweise für die Simulation der Setzung der alpinen Schneedecke oder für die Auswertung von Eisbohrkernen. Eisbohrkerne werden aus den Gletschern der Antarktis oder Grönland zu Tage gefördert und enthalten ein Archiv mit Klimainformationen, das bis zu 900.000 Jahre in die Vergangenheit reicht. Für eine genauere Datierung dieser Daten ist es wichtig, die Dauer der Umwandlung von Schnee zu Eis zu kennen und wovon diese abhängt.

Versuchsdurchführung

Wir legen ein Gewicht auf eine Schneeprobe und stellen diese Probe in einen Mikrocomputertomographen (µCT). Etwa alle 24 Stunden machen wir eine CT-Aufnahme von dem Schnee. Unter der Last des Gewichts verringert sich die Höhe der Schneeprobe innerhalb von 5 Tagen um etwa 10%. Der Schnee wird also um 10% verdichtet.

Abbildung 1 - Verformung des Schneeskeletts

Erste Ergebnisse

Während sich die Dichte der Schneeprobe nur um 10% ändert, nimmt die Viskosität des Schnees fast um Faktor 10 zu (siehe Abbildung 2). Da Viskosität und Verformungsgeschwindigkeit umgekehrt proportional zueinander sind, nimmt die Geschwindigkeit mit der sich der Schnee verformt also fast um Faktor 10 ab. Diese überproportional starke Zunahme der Viskosität ist durch zwei Effekte erklärbar:

Während zu Beginn des Experiments nur wenige Teile des Eisskeletts Kräfte aufnehmen, passt sich der Schnee der Belastung immer mehr an und verteilt die Kräfte gleichmässiger. Ausserdem bilden sich im Schnee neue Bindungen, die die Bewegungsfreiheit der Struktur stark einschränken und somit die Viskosität stark erhöhen.

Abbildung 2 - Verlauf von Viskosität und Dichte während des Experiments

Ausblick

Diese ersten Ergebnisse zeigen, wie wichtig es ist, die Struktur des Schnees für die Erklärung seiner Eigenschaften zu berücksichtigen. In den folgenden Schritten des Projekts soll versucht werden, die Verformungsmechanismen genauer zu verstehen und von qualitativen zu quantitativen Beschreibungen des Prozesses zu kommen.